CN114433264A - 混合流体玻璃芯片的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种混合流体玻璃芯片的制备方法，涉及流体芯片，旨在解决传统制备方法受限于加工过程，无法进行任意三维结构的加工，其技术方案要点是：一种混合流体玻璃芯片的制备方法，包括如下步骤：S1、模拟构造分割步骤；S2、单层玻璃制备步骤；S3、键合步骤。本发明的一种混合流体玻璃芯片的制备方法，通过将复杂的内部三维待加工结构，分隔为多层加工任务，达到能够进行任意三维结构加工的技术效果，并且无需借助模具，提高生产灵活性，避免硬性加工导致产生崩边，提高加工结构边沿的质量。
Description
技术领域
本发明涉及流体芯片，更具体地说，它涉及一种混合流体玻璃芯片的制备方法。
背景技术
近年来，化工生产、生物制药、材料合成等领域不断朝着绿色、可持续、安全、高效的方向发展。借鉴集成电路芯片在小型化、集成化的成功经验，流体芯片可提供更精确的流体操控与更高效的流体处理。流体芯片内部包含大量的毫米尺度及更小尺寸的流体通道，可实现多种流体物料的高效混合与精确控温。制备流体芯片的传统方法包括模具压印、数控机床加工、高功率激光烧蚀等方法。
模具压印主要用于树脂等材料的流体芯片制备，该方法对模具的制作精度与表面质量提出了严格的要求，且更改结构需要重新制作模具，数控机床加工与高功率激光烧蚀方法在加工玻璃等脆性材料时，易产生崩边结果，影响结构边缘质量，此外，传统制备方法受限于加工过程，无法进行任意三维结构的加工；因此需要提出一种新的方案来解决这个问题。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种混合流体玻璃芯片的制备方法，通过将复杂的内部三维待加工结构，分隔为多层加工任务，达到能够进行任意三维结构加工的技术效果，并且无需借助模具，提高生产灵活性，避免硬性加工导致产生崩边，提高加工结构边沿的质量。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种混合流体玻璃芯片的制备方法，包括如下步骤：
S1、模拟构造分割步骤
S1.1、通过三维软件设计定型流体芯片，确保流道满足设计要求；
S1.2、沿设计定型的流体芯片的厚度向模拟分割各个层结构，分割要求为避免独立部件的前提下，减少各个层结构的内部镂空结构；
S2、单层玻璃制备步骤
S2.1、根据各个层结构的具体结构和加工需求选取尺寸合适的玻璃平板材料，使用蚀刻法加工处理玻璃平板材料；
S2.2、除去加工后层结构的加工辅助材料并清理；
S2.3、对清理后的各个层结构的上下表面进行机械抛光，保证上下表面的面型起伏在1/4光圈的范围内；
S2.4、用纯水进行冲洗，去除掉抛光时所残留的异物；
S3、键合步骤
S3.1、将各个层结构按照顺序组合在一起，并用定位销固定；
S3.2、将定位固定后的各个层结构采用光胶键合、低温键合以及高温键合中的任意一种方法完全粘合为一体；
S3.3、将粘合好的多层结构取出，将上下表面进行二次抛光以保证光洁度，将侧面进行磨边处理。
通过采用上述技术方案，本申请S1、模拟构造分割步骤，将流体芯片以厚度向分隔为多个层结构，从而减少所需加工的内部结构，有效降低加工难度，即将复杂的内部三维待加工结构，分隔为多层加工任务，进而达到能够进行任意三维结构加工的技术效果；S2、单层玻璃制备步骤，采用蚀刻法加工各个玻璃平板材料，相较于现有技术的模具压印，无需借助模具，避免更改结构需要重新制作模具，而导致生产灵活性较差的问题发生，相较于现有技术的数控机床加工和高功率激光烧蚀，避免硬性加工导致产生崩边，而影响结构边缘质量的问题发生，抛光并清理完成加工后的各个层结构，从而提高各个层结构的表面平整度和洁净度，确保键合紧密性；S3、键合步骤采用定位销定位后再进行键合，从而确保键合精度；最后进行二次抛光和磨边处理，消除高效混合流体玻璃芯片划伤操作者的隐患；综上所述，通过将复杂的内部三维待加工结构，分隔为多层加工任务，达到能够进行任意三维结构加工的技术效果，并且无需借助模具，提高生产灵活性，避免硬性加工导致产生崩边，提高加工结构边沿的质量。
本发明进一步设置为：所述蚀刻法加工法为超快激光加工，其包括如下步骤：
S2.1a.1、根据加工的流道结构编写控制程序，保证激光焦斑从下至上逐层完成结构扫描；
S2.1a.2、将选定的玻璃平板材料放在三维电动位移台上，调节位移台俯仰角度，保证材料水平放置；
S2.1a.3、选用超短脉冲激光器，调节其脉冲能量、脉宽以及重复频率后启动，将超短脉冲激光器发出的激光脉冲经由光束整形系统聚焦在玻璃平板材料上；
S2.1a.4、将所编写的控制程序输入到三维电动位移台的控制系统中，三维电动平移台带动玻璃平板材料移动，实现激光聚焦光斑在玻璃平板材料上的扫描；
S2.1a.5、将由超短脉冲激光器描过的玻璃平板材料静置在反应釜中，反应釜中的溶液为选择性腐蚀溶液；
S2.1a.6、每隔一定时长观察超短脉冲激光器扫描区域的腐蚀情况，未腐蚀完成的玻璃平板材料用纯水进行简单清洗后再次放入反应釜中，重复上述过程直至扫描区域完全腐蚀干净。
本发明进一步设置为：所述步骤S2.1a.3、在扫描时额外扫描出辅助通道，这些辅助通道连接内部结构与玻璃平板材料的外表面。
本发明进一步设置为：所述超快激光加工还包括：
S2.1a.6、采用二氧化碳激光照射、密封胶填充以及平板材料贴合中的任意一种方法密封辅助流道。
本发明进一步设置为：所述蚀刻法加工法为各向异性湿法腐蚀加工，其包括如下步骤：
S2.1b.1、对选定的玻璃平板材料的表面进行充分清洗去除有机和无机杂质，并将玻璃平板材料放在等离子体清洗机中进行表面处理；
S2.1b.2、将表面处理过后的玻璃平板材料置于超净环境中，将掩膜材料覆盖在其表面；
S2.1b.3、将玻璃平板材料置于激光系统下，将具有掩膜的结构正对着激光，下表面固定，将激光聚焦在掩膜上，然后按照所设计结构扫描去除部分掩膜材料，最终形成掩膜图形；
S2.1b.4、将形成掩膜图形的玻璃平板材料静置在反应釜中，反应釜中的溶液为玻璃腐蚀溶液；
S2.1b.5、每隔一定时长观察未被掩模覆盖区域的腐蚀情况，未腐蚀到所需结构深度的玻璃平板材料用纯水进行简单清洗后再次放入反应釜中，重复上述过程直至未被掩模覆盖的区域被腐蚀至所需深度。
本发明进一步设置为：所述选择性腐蚀溶液和玻璃腐蚀溶液为氢氧化钾溶液、氢氧化钠溶液以及氢氟酸溶液中的一种或多种混合。
本发明进一步设置为：所述蚀刻法加工法为干法刻蚀加工，其包括如下步骤：
S2.1c.1、对选定的玻璃平板材料的表面进行充分清洗去除有机和无机杂质，并将玻璃平板材料放在等离子体清洗机中进行表面处理；
S2.1c.2、将表面处理过后的玻璃平板材料置于超净环境中，将掩膜材料覆盖在其表面；
S2.1c.3、使用光刻或激光扫描在掩模材料上加工出掩模图形；
S2.1c.4、使用低压反应离子束或电子束轰击玻璃平板材料的表面，未被掩模材料覆盖的区域被刻蚀去除，被掩模材料覆盖的区域受到保护，不会被去除。
本发明进一步设置为：所述掩膜材料为光刻胶、金属膜或半导体薄膜中的任意一种。
本发明进一步设置为：所述蚀刻法加工法为水环境辅助激光烧蚀，其包括如下步骤：
S2.1d.1、制作相关的水环境辅助烧蚀的夹具，用于固定玻璃平板材料，夹具的体积能够完全浸没玻璃平板材料，外界存在水循环系统，在加工中保证夹具内的水充分流动以带走加工废料；
S2.1d.2、利用夹具固定玻璃平板材料，水位浸没玻璃平板材料的上表面并且开启水循环系统，超快激光经过水镜聚焦在玻璃平板材料的表面，玻璃平板材料表面材质将被去除；
S2.1d.3、根据所需模型设计好烧蚀路径，通过移动超快激光焦点位置进行结构加工，玻璃平板材料所需加工结构采用从上至下的分层烧蚀，在烧蚀一层结构后，以该层作为新的表面，将激光聚焦在该层表面重复上述操作。
本发明进一步设置为：S2、单层玻璃制备步骤还包括：
S2.5、将初步清洗的玻璃平板材料置于无尘的环境当中，并浸泡于丙酮和酒精溶液中进行超声清洗，完成超声清洗后采用纯水进行冲洗；
S2.6、完成纯水冲洗后放入食人鱼溶液中，并采用磁力搅拌器进行充分的清洗；
S2.7、完成腐蚀清洗后取出玻璃平板材料，并用大量纯水进行冲洗保证无其他杂物残留；
S2.8、清洗后的玻璃平板材料在干燥箱中烘干。
综上所述，本发明具有以下有益效果：将流体芯片以厚度向分隔为多个层结构，从而减少所需加工的内部结构，有效降低加工难度，即将复杂的内部三维待加工结构，分隔为多层加工任务，进而达到能够进行任意三维结构加工的技术效果；相较于现有技术的模具压印，无需借助模具，避免更改结构需要重新制作模具，而导致生产灵活性较差的问题发生；相较于现有技术的数控机床加工和高功率激光烧蚀，避免硬性加工导致产生崩边，而影响结构边缘质量的问题发生；抛光并清理完成加工后的各个层结构，从而提高各个层结构的表面平整度和洁净度，确保键合紧密性。
附图说明
图1为本申请流体芯片分割为多个层结构的示意图。
附图说明：1、流体芯片；2、层结构。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例一：一种混合流体玻璃芯片的制备方法，包括如下步骤：
S1、模拟构造分割步骤
S1.1、通过三维软件设计定型流体芯片1，确保流道满足设计要求。
S1.2、沿设计定型的流体芯片的厚度向模拟分割各个层结构2，分割要求为避免独立部件的前提下，减少各个层结构2的内部镂空结构。
S2、单层玻璃制备步骤
S2.1、根据各个层结构2的具体结构和加工需求选取尺寸合适的玻璃平板材料，使用蚀刻法加工法处理玻璃平板材料。
蚀刻法加工法为超快激光加工，其包括如下步骤：
S2.1a.1、根据加工的流道结构编写控制程序，保证激光焦斑从下至上逐层完成结构扫描。
S2.1a.2、将选定的玻璃平板材料放在三维电动位移台上，调节位移台俯仰角度，保证材料水平放置。
S2.1a.3、选用超短脉冲激光器，调节其脉冲能量、脉宽以及重复频率后启动，具体的运行参数为脉宽5ps、重复频率1MHz、功率6W，将超短脉冲激光器发出的激光脉冲经由光束整形系统聚焦在玻璃平板材料上。
S2.1a.4、将所编写的控制程序输入到三维电动位移台的控制系统中，三维电动平移台带动玻璃平板材料移动，实现激光聚焦光斑在玻璃平板材料上的扫描；当待加工的玻璃平板材料需要加工内部镂空结构时，在扫描时额外扫描出辅助通道，这些辅助通道连接内部结构与玻璃平板材料的外表面。
S2.1a.5、将由超短脉冲激光器描过的玻璃平板材料静置在反应釜中，反应釜中的溶液为选择性腐蚀溶液；所述选择性腐蚀溶液为氢氧化钾溶液、氢氧化钠溶液以及氢氟酸溶液中的一种或多种混合，本实施例采用浓度为10mol/L的氢氧化钾溶液，温度控制为90摄氏度，腐蚀时间为10小时。
S2.1a.6、每隔两小时观察超短脉冲激光器扫描区域的腐蚀情况，未腐蚀完成的玻璃平板材料用纯水进行简单清洗后再次放入反应釜中，重复上述过程直至扫描区域完全腐蚀干净。
S2.1a.7、采用二氧化碳激光照射、密封胶填充以及平板材料贴合中的任意一种方法密封辅助流道。
S2.2、清理加工后的层结构2清理。
S2.3、对清理后的各个层结构2的上下表面进行机械抛光，保证上下表面的面型起伏在1/4光圈的范围内。
S2.4、用纯水进行冲洗，去除掉抛光时所残留的异物。
S2.5、将初步清洗的玻璃平板材料置于无尘的环境当中，并浸泡于丙酮和酒精溶液中进行十分钟的超声清洗，完成超声清洗后采用纯水进行十分钟的冲洗。
S2.6、完成纯水冲洗后放入食人鱼溶液中，并采用磁力搅拌器进行充分的清洗，该过程为化学抛光，进一步提高玻璃材料的表面平整度。
S2.7、完成腐蚀清洗后取出玻璃平板材料，并用大量纯水进行冲洗保证无其他杂物残留。
S2.8、清洗后的玻璃平板材料在干燥箱中烘干。
S3、键合步骤
S3.1、将各个层结构2按照顺序组合在一起放置在事先抛光好的刚玉板上面，并且在最上方的层结构2之上加盖另一片刚玉板，再用定位销固定。
S3.2、将定位固定后的各个层结构2采用光胶键合、低温键合以及高温键合中的任意一种方法完全粘合为一体，本实施例采用高温键合，具体方式为在压紧状态下于室温下保持24个小时，然后放入退火炉中，在200摄氏度下保温24小时，使得各个层结构2完全粘合。
S3.3、将粘合好的多层结构取出，将上下表面进行二次抛光以保证光洁度，将侧面进行磨边处理，消除高效混合流体玻璃芯片划伤操作者的隐患。
实施例二：本实施例与实施例一的区别在于蚀刻法加工法的不同。
蚀刻法加工法为各向异性湿法腐蚀加工，其包括如下步骤：
S2.1b.1、对选定的玻璃平板材料的表面进行充分清洗去除有机和无机杂质，并将玻璃平板材料放在等离子体清洗机中进行表面处理。
S2.1b.2、将表面处理过后的玻璃平板材料置于超净环境中，将掩膜材料覆盖在其表面，掩膜材料为光刻胶、金属膜或半导体薄膜中的任意一种。
S2.1b.3、将玻璃平板材料置于激光系统下，将具有掩膜的结构正对着激光，下表面固定，将激光聚焦在掩膜上，然后按照所设计结构扫描去除部分掩膜材料，最终形成掩膜图形；
S2.1b.4、将形成掩膜图形的玻璃平板材料静置在反应釜中，反应釜中的溶液为玻璃腐蚀溶液；
S2.1b.5、每隔一定时长观察未被掩模覆盖区域的腐蚀情况，未腐蚀到所需结构深度的玻璃平板材料用纯水进行简单清洗后再次放入反应釜中，重复上述过程直至未被掩模覆盖的区域被腐蚀至所需深度。
实施例三：本实施例与实施例一和实施例二的区别在于蚀刻法加工法的不同。
蚀刻法加工法为干法刻蚀加工，其包括如下步骤：
S2.1c.1、对选定的玻璃平板材料的表面进行充分清洗去除有机和无机杂质，并将玻璃平板材料放在等离子体清洗机中进行表面处理。
S2.1c.2、将表面处理过后的玻璃平板材料置于超净环境中，将掩膜材料覆盖在其表面。
S2.1c.3、使用光刻或激光扫描在掩模材料上加工出掩模图形。
S2.1c.4、使用低压反应离子束或电子束轰击玻璃平板材料的表面，未被掩模材料覆盖的区域被刻蚀去除，被掩模材料覆盖的区域受到保护，不会被去除。
该实施例提供的干法刻蚀加工方法加工单片玻璃平板材料，其优点在于加工效率较快且成本较低，缺点为无法加工内部结构，因此在实际生产中可能需要与实施例一提供的超快激光加工或者实施例二提供的各向异性湿法腐蚀加工结合，即由超快激光加工或各向异性湿法腐蚀加工完成具有内部结构的玻璃平板材料的加工，由本实施例提供的干法刻蚀加工完成不具有内部结构的玻璃平板材料的加工。
实施例四：本实施例与实施例一、实施例二、实施例三的区别在于蚀刻法加工法的不同。
蚀刻法加工法为水环境辅助激光烧蚀，其包括如下步骤：
S2.1d.1、制作相关的水环境辅助烧蚀的夹具，用于固定玻璃平板材料，夹具的体积能够完全浸没玻璃平板材料，外界存在水循环系统，在加工中保证夹具内的水充分流动以带走加工废料；
S2.1d.2、利用夹具固定玻璃平板材料，水位浸没玻璃平板材料的上表面并且开启水循环系统，超快激光经过水镜聚焦在玻璃平板材料的表面，玻璃平板材料表面材质将被去除；
S2.1d.3、根据所需模型设计好烧蚀路径，通过移动超快激光焦点位置进行结构加工，玻璃平板材料所需加工结构采用从上至下的分层烧蚀，在烧蚀一层结构后，以该层作为新的表面，将激光聚焦在该层表面重复上述操作。
该实施例提供的水环境辅助激光烧蚀，其优点在于加工效率较快且更加不容易损坏玻璃平板材料，缺点为无法加工内部结构，因此适用于脆度较高且没有内壁结构的玻璃平板材料的加工。
具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
Claims (10)
1.一种混合流体玻璃芯片的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、模拟构造分割步骤
S1.1、通过三维软件设计定型流体芯片(1)，确保流道满足设计要求；
S1.2、沿设计定型的流体芯片的厚度向模拟分割各个层结构(2)，分割要求为避免独立部件的前提下，减少各个层结构(2)的内部镂空结构；
S2、单层玻璃制备步骤
S2.1、根据各个层结构(2)的具体结构和加工需求选取尺寸合适的玻璃平板材料，使用蚀刻法加工法处理玻璃平板材料；
S2.2、除去加工后层结构(2)的加工辅助材料并清理；
S2.3、对清理后的各个层结构(2)的上下表面进行机械抛光，保证上下表面的面型起伏在1/4光圈的范围内；
S2.4、用纯水进行冲洗，去除掉抛光时所残留的异物；
S3、键合步骤
S3.1、将各个层结构(2)按照顺序组合在一起，并用定位销固定；
S3.2、将定位固定后的各个层结构(2)采用光胶键合、低温键合以及高温键合中的任意一种方法完全粘合为一体；
S3.3、将粘合好的多层结构取出，将上下表面进行二次抛光以保证光洁度，将侧面进行磨边处理。
2.根据权利要求1所述的混合流体玻璃芯片的制备方法，其特征在于：所述蚀刻法加工法为超快激光加工，其包括如下步骤：
S2.1a.1、根据加工的流道结构编写控制程序，保证激光焦斑从下至上逐层完成结构扫描；
S2.1a.2、将选定的玻璃平板材料放在三维电动位移台上，调节位移台俯仰角度，保证材料水平放置；
S2.1a.3、选用超短脉冲激光器，调节其脉冲能量、脉宽以及重复频率后启动，将超短脉冲激光器发出的激光脉冲经由光束整形系统聚焦在玻璃平板材料上；
S2.1a.4、将所编写的控制程序输入到三维电动位移台的控制系统中，三维电动平移台带动玻璃平板材料移动，实现激光聚焦光斑在玻璃平板材料上的扫描；
S2.1a.5、将由超短脉冲激光器描过的玻璃平板材料静置在反应釜中，反应釜中的溶液为选择性腐蚀溶液；
S2.1a.6、每隔一定时长观察超短脉冲激光器扫描区域的腐蚀情况，未腐蚀完成的玻璃平板材料用纯水进行简单清洗后再次放入反应釜中，重复上述过程直至扫描区域完全腐蚀干净。
3.根据权利要求2所述的混合流体玻璃芯片的制备方法，其特征在于：所述步骤S2.1a.3、在扫描时额外扫描出辅助通道，这些辅助通道连接内部结构与玻璃平板材料的外表面。
4.根据权利要求3所述的混合流体玻璃芯片的制备方法，其特征在于：所述超快激光加工还包括：
S2.1a.6、采用二氧化碳激光照射、密封胶填充以及平板材料贴合中的任意一种方法密封辅助流道。
5.根据权利要求1所述的混合流体玻璃芯片的制备方法，其特征在于：所述蚀刻法加工法为各向异性湿法腐蚀加工，其包括如下步骤：
S2.1b.1、对选定的玻璃平板材料的表面进行充分清洗去除有机和无机杂质，并将玻璃平板材料放在等离子体清洗机中进行表面处理；
S2.1b.2、将表面处理过后的玻璃平板材料置于超净环境中，将掩膜材料覆盖在其表面；
S2.1b.3、将玻璃平板材料置于激光系统下，将具有掩膜的结构正对着激光，下表面固定，将激光聚焦在掩膜上，然后按照所设计结构扫描去除部分掩膜材料，最终形成掩膜图形；
S2.1b.4、将形成掩膜图形的玻璃平板材料静置在反应釜中，反应釜中的溶液为玻璃腐蚀溶液；
S2.1b.5、每隔一定时长观察未被掩模覆盖区域的腐蚀情况，未腐蚀到所需结构深度的玻璃平板材料用纯水进行简单清洗后再次放入反应釜中，重复上述过程直至未被掩模覆盖的区域被腐蚀至所需深度。
6.根据权利要求2或5所述的混合流体玻璃芯片的制备方法，其特征在于：所述选择性腐蚀溶液和玻璃腐蚀溶液为氢氧化钾溶液、氢氧化钠溶液以及氢氟酸溶液中的一种或多种混合。
7.根据权利要求1所述的混合流体玻璃芯片的制备方法，其特征在于：所述蚀刻法加工法为干法刻蚀加工，其包括如下步骤：
S2.1c.1、对选定的玻璃平板材料的表面进行充分清洗去除有机和无机杂质，并将玻璃平板材料放在等离子体清洗机中进行表面处理；
S2.1c.2、将表面处理过后的玻璃平板材料置于超净环境中，将掩膜材料覆盖在其表面；
S2.1c.3、使用光刻或激光扫描在掩模材料上加工出掩模图形；
S2.1c.4、使用低压反应离子束或电子束轰击玻璃平板材料的表面，未被掩模材料覆盖的区域被刻蚀去除，被掩模材料覆盖的区域受到保护，不会被去除。
8.根据权利要求5或7所述的混合流体玻璃芯片的制备方法，其特征在于：所述掩膜材料为光刻胶、金属膜或半导体薄膜中的任意一种。
9.根据权利要求1所述的混合流体玻璃芯片的制备方法，其特征在于：所述蚀刻法加工法为水环境辅助激光烧蚀，其包括如下步骤：
S2.1d.1、制作相关的水环境辅助烧蚀的夹具，用于固定玻璃平板材料，夹具的体积能够完全浸没玻璃平板材料，外界存在水循环系统，在加工中保证夹具内的水充分流动以带走加工废料；
S2.1d.2、利用夹具固定玻璃平板材料，水位浸没玻璃平板材料的上表面并且开启水循环系统，超快激光经过水镜聚焦在玻璃平板材料的表面，玻璃平板材料表面材质将被去除；
S2.1d.3、根据所需模型设计好烧蚀路径，通过移动超快激光焦点位置进行结构加工，玻璃平板材料所需加工结构采用从上至下的分层烧蚀，在烧蚀一层结构后，以该层作为新的表面，将激光聚焦在该层表面重复上述操作。
10.根据权利要求1所述的混合流体玻璃芯片的制备方法，其特征在于：S2、单层玻璃制备步骤还包括：
S2.5、将初步清洗的玻璃平板材料置于无尘的环境当中，并浸泡于丙酮和酒精溶液中进行超声清洗，完成超声清洗后采用纯水进行冲洗；
S2.6、完成纯水冲洗后放入食人鱼溶液中，并采用磁力搅拌器进行充分的清洗；
S2.7、完成腐蚀清洗后取出玻璃平板材料，并用大量纯水进行冲洗保证无其他杂物残留；
S2.8、清洗后的玻璃平板材料在干燥箱中烘干。
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